EP0522931B1 - Bloc contenant des résines échangeuses d'ions contaminées et son procédé de préparation - Google Patents

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EP0522931B1
EP0522931B1 EP19920401879 EP92401879A EP0522931B1 EP 0522931 B1 EP0522931 B1 EP 0522931B1 EP 19920401879 EP19920401879 EP 19920401879 EP 92401879 A EP92401879 A EP 92401879A EP 0522931 B1 EP0522931 B1 EP 0522931B1
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EP
European Patent Office
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exchange resins
cement
resins
epoxy resin
ion
Prior art date
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EP19920401879
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German (de)
English (en)
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EP0522931A1 (fr
Inventor
Claude Kertesz
Patrice Da Silva
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/28Treating solids
    • G21F9/30Processing
    • G21F9/301Processing by fixation in stable solid media
    • G21F9/302Processing by fixation in stable solid media in an inorganic matrix
    • G21F9/304Cement or cement-like matrix
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/28Treating solids
    • G21F9/30Processing
    • G21F9/301Processing by fixation in stable solid media
    • G21F9/307Processing by fixation in stable solid media in polymeric matrix, e.g. resins, tars

Definitions

  • the present invention relates to a block containing ion exchange resins contaminated, for example by toxic or radioactive elements, as well as a process for preparing such a block. It is particularly applicable in the field of storage of ion exchange resins contaminated by radioactive elements of low and medium activity.
  • Ion exchange resins used to purify water in nuclear installations undergo degradation phenomena after a certain time and, consequently, lose their effectiveness. It is then a question of storing these used ion exchange resins which, during their use, have fixed various radioelements giving them a certain radioactivity.
  • thermosetting resins such as those described in documents FR-A- 2 251 081, FR-A- 2 361 724 and EP-A- 0 127 490 are satisfactory because they allow to ensure good retention of radioactivity, but they nevertheless have certain drawbacks.
  • EP-A-0 127 490 also makes it possible to incorporate cationic resins which still have active sites into an epoxy resin, but it has the disadvantage of requiring the use of particular amine hardeners which are relatively expensive products. .
  • thermosetting resins are sensitive to the initial temperature which accelerates the polymerization and / or leads to a release of heat detrimental to the quality of the block formed.
  • radioactive waste consists of sludge chemical coprecipitation which may contain from 20 to 40% of water, dry pulverulent waste such as the incineration ashes of combustible materials or technological, non-combustible waste such as glass and metals.
  • Document EP-A-0 124 825 also describes the coating of radioactive waste in a composite matrix obtained from unsaturated polyester, monomers, Portland cement and pozzolans.
  • the present invention specifically relates to a block containing ion exchange resins contaminated for storage, which overcomes the drawbacks mentioned above of the known methods.
  • the block containing ion exchange resins contaminated for storage is characterized in that the ion exchange resins are incorporated in a composite matrix consisting of a hardened hydrophilic epoxy resin and a cement. hardened chosen from Clinker's slag cements and slag and ash cements.
  • the choice of a hydrophilic epoxy resin and of a cement with low heat of hydration constituted by a cement with slag from Clinker (CLK) and / or a cement with slag and with fly ash ( CLC) provides a matrix compatible with ion exchange resins, even when these are saturated with water and contain, for example, 50 to 55% by weight of water, and / or contain active sites usually requiring pretreatment.
  • this matrix makes it possible to obtain a high coating coefficient and a block having very interesting physical and mechanical properties, in particular better resistance to compression.
  • CLC and CLK cements have very different compositions from those of Portland cements and aluminous cements.
  • CLK and CLC cements have lower hydration heats than those of Portland and aluminous cements and a slower hydration kinetics.
  • the temperature can reach 120 ° C at the core, which causes the distillation of the water included in the exchange resins d 'ions and a degradation of the properties of the barrel.
  • the proportions by weight of hardened cement and epoxy resin used in the constitution of the matrix are chosen so as to obtain the desired characteristics of radioelement retention, resistance to leaching and mechanical resistance for storage. of the block with a high degree of safety.
  • ion exchange resins With this matrix, relatively large amounts of ion exchange resins can be included in the block; it can thus contain up to 45% by weight of contaminated ion exchange resins, saturated with water, whereas in the in the case of CLK cement alone, only 15 to 20% by weight of ion exchange resins could be coated.
  • ion exchange resins can consist of cationic exchange resins, anionic resins or mixtures of these resins, in the form of grains or particles obtained by grinding.
  • organic ion exchange resins such as polystyrene resins crosslinked with divinyl benzene which contain, for example, sulfonic groups or hydroxyl groups.
  • a hydrophilic epoxy resin is used, compatible both with the cement used and with the ion exchange resin to be conditioned.
  • hydrophilic epoxy resins By way of example of such hydrophilic epoxy resins, mention may be made of the bis-phenol-A diglycidyl ether and the bis-phenol-F diglycidyl ether hardened by reaction with an amino hardener.
  • the diglycidyl ether of bis phenol A corresponds to the formula:
  • the bis-phenol F diglycidyl ether corresponds to the formula:
  • the use of a hydrophilic epoxy resin is advantageous because it facilitates obtaining a homogeneous mixture with the cement, in the presence of water.
  • the invention also relates to a process for the preparation of the block containing the contaminated ion exchange resins, described above.
  • the contaminated ion exchange resins are saturated with water, which is carried out by immersing these resins in water for a sufficient time, for example for 24 hours. After this operation, the ion exchange resins are drained until disappearance of the water flow so as to ensure that the ion exchange resins contain only their saturation water which generally represents approximately 50 to 55% by weight of the saturated ion exchange resins, but can go in certain case up to 65% by weight.
  • the water necessary for the hydration of the cement is then added to the resins by carrying out this operation with stirring.
  • the amount of water of hydration required for curing Clinker's slag cements or slag and fly ash cements depends on the amount of cement that will be introduced into the block. It is generally such that the weight ratio of hydration water / cement is from 0.25 to 0.35.
  • the cement After introduction of the water, the cement is added with stirring and this stirring is continued until a fluid paste is obtained, then the epoxy resin in the liquid state and its amine hardener are added, continuing the agitation.
  • the operations of adding water, cement and epoxy resin are carried out in a mixer.
  • the mixture After adding the epoxy resin and its hardener, the mixture can be emulsified by rotation at high speed, left to stand and poured into a mold having the dimensions of the block to be manufactured.
  • the block is allowed to harden in the mold, which can be obtained relatively quickly, for example in 12 hours.
  • the choice of the amine hardener is also important, because by choosing an appropriate amine hardener, the epoxy resin is allowed to harden in the presence of large amounts of water.
  • amine hardeners containing a combination of aromatic and aliphatic amines it is possible to use amine hardeners containing a combination of aromatic and aliphatic amines, and by varying the amounts of these different amines, an optimized hardener can be obtained, suitable for the preparation of an epoxy composite matrix. cement suitable for coating ion exchange resins saturated with water to be conditioned.
  • the proportion of amine hardener is such that the hardener / epoxy resin weight ratio is preferably from 0.5 to 0.6.
  • the contaminated water exchange resins are saturated with water by swelling them in water for 24 h and then subjected to a spin. 400 g of drained anionic resins are then weighed and the 78 g of water added to them, that is to say the amount sufficient to hydrate the 222 g of CLK 45 cement.
  • the resins are mixed with water, then the CLK 45 cement is added to the suspension and the mixture is kneaded so as to obtain a very fluid paste.
  • the epoxy resin SL MN 201 T and the hardener SL D6 M5 are added.
  • the mixture is then poured into a mold and allowed to harden for 36 hours.
  • the block obtained is also subjected to a water absorption test by immersing it for one month in water. After this period, it is found that the mass coefficient of water absorption is of the order of 1 to 3%.
  • the block obtained therefore has very satisfactory characteristics for the storage of anion exchange resins.
  • Example 2 The same contaminated anion exchange resins and the same matrix constituents are used as in Example 1, except the hardener which in this example is the product sold by Spado Lassailly under the reference SL D 2005.
  • Example 2 The same procedure is followed as in Example 1, using the same proportions for coating 400 g of anion exchange resins in the composite matrix.
  • a solid block is thus obtained having properties practically identical to those of the block obtained in Example 1, except that its external appearance is more shiny.
  • Example 2 The same procedure is followed and the same matrix is used as in Example 1 to coat 400 g of cationic ion exchange resins of the Rohm and Haas IR 120 type.
  • the block obtained also has very good properties.
  • the coating of contaminated ion exchange resins is carried out using only as coating component an epoxy resin and its hardener.
  • an epoxy-cement composite matrix makes it possible, during polymerization, to limit the core temperature of the block to a value lower than that which is obtained with an epoxy resin alone.
  • the core temperature is limited to 58-63 ° C, while in the case of an epoxy resin alone, it can reach 78 ° C for a block of 0.5 l. Also, for blocks of larger volume, the core temperature can become higher than 100 ° C with an epoxy resin alone. However, at this temperature, the water contained in the ion-exchange resins saturated with water is brought to the boil and the water vapor generated in the block is the cause of more or less significant damage.
  • the enthalpy corresponding to the setting of the binder is very substantially lower than the enthalpy of polymerization of the epoxy part.
  • the core temperature (in ° C.) of 2 blocks according to the invention is shown weighing 640 g, as a function of time (in h) during their hardening.
  • curve A corresponds to the average values of the two curves of FIG. 2
  • curve B corresponds to the average values of the two curves of FIG. 3.
  • the reduction of the peak of the polymerization exotherm is particularly sought after, because it increases the intrinsic safety of the process, in particular in the event of acceleration of the polymerization rate observed in hot weather: in this case, in Indeed, the polymerization kinetics is increased, and the temperature obtained at the core of the mix must imperatively be below the vaporization temperature of the REI water.
  • the lengthening of the hardening time is an interesting phenomenon at the industrial stage because it allows increased possibilities of intervention on the process.
  • Another important advantage of the process of the invention is that it allows the coating of anionic, cationic or mixed ion exchange resins without requiring pretreatment. Indeed, the use of a hydraulic binder which releases dissociated ions into the aqueous medium, avoids prior saturation of any active sites of cation exchange resins since the ions released by the cement are capable of achieving this saturation.

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Description

  • La présente invention a pour objet un bloc contenant des résines échangeuses d'ions contaminées, par exemple par des éléments toxiques ou radioactifs, ainsi qu'un procédé de préparation d'un tel bloc. Elle s'applique notamment dans le domaine du stockage des résines échangeuses d'ions contaminées par des éléments radioactifs de faible et moyenne activité.
  • Les résines échangeuses d'ions utilisées pour purifier l'eau des installations nucléaires subissent au bout d'un certain temps des phénomènes de dégradation et, en conséquence, perdent leur efficacité. Il s'agit alors de stocker ces résines échangeuses d'ions usées qui ont fixé au cours de leur utilisation divers radioéléments leur conférant une certaine radioactivité.
  • On connaît plusieurs procédés de conditionnement de ces résines contaminées en vue de leur stockage. Parmi ceux-ci, les procédés d'enrobage dans des résines thermodurcissables, tels que ceux décrits dans les documents FR-A- 2 251 081, FR-A- 2 361 724 et EP-A- 0 127 490 sont satisfaisants car ils permettent d'assurer une bonne rétention de la radioactivité, mais ils présentent toutefois certains inconvénients.
  • Ainsi, le procédé du document FR-A-2 251 081 ne convient pas pour incorporer dans une résine époxyde des résines cationiques qui ne sont pas totalement usées car dans ce cas, la polymérisation de la résine époxyde est partiellement inhibée par la résine cationique qui consomme certains composés nécessaires au durcissement de la résine.
  • On peut éviter ce phénomène en réalisant un prétraitement en solution aqueuse basique des résines échangeuses d'ions comme il est décrit dans le document FR-A- 2 251 081, mais la réalisation de cette étape complémentaire constitue un inconvénient, d'autant plus qu'elle conduit à la production de nouveaux effluents contaminés par des éléments radioactifs.
  • Le procédé décrit dans EP-A- 0 127 490 permet également d'incorporer dans une résine époxyde des résines cationique ayant encore des sites actifs, mais il présente l'inconvénient de nécessiter l'emploi de durcisseurs aminés particuliers qui sont des produits relativement onéreux.
  • De plus, les procédés utilisant ces résines thermodurcissables sont sensibles à la température initiale qui accélère la polymérisation et/ou conduit à un dégagement de chaleur préjudiciable à la qualité du bloc formé.
  • On connaît encore par FR-A-2607957 et EP-A- 0 274 927, un procédé de conditionnement de déchets dans des matrices composites à base de ciment et de résine époxyde, mais dans ce cas, les déchets radioactifs sont constitués par des boues de coprécipitation chimique pouvant contenir de 20 à 40% d'eau, des déchets secs pulvérulents tels que les cendres d'incinération de matières combustibles ou des déchets technologiques, incombustibles tels que le verre et les métaux.
  • Le document EP-A-0 124 825 décrit également l'enrobage de déchets radioactifs dans une matrice composite obtenue à partir de polyester insaturé, de monomères, de ciment Portland et de pouzzolanes.
  • On a encore envisagé d'inclure les résines échangeuses d'ions dans une matrice en ciment, mais ce procédé a un intérêt limité en raison du faible coefficient d'enrobage obtenu et de la nécessité de réaliser également un prétraitement des résines pour éviter toute interaction avec le ciment, comme il est décrit par J. Duquesne - Cogéma et C. Jaouen SGN - Concrete Encapsulation of Ion Exchange Resins-International Conference Recod 87 - August 23 - 27, 1987 - Paris.
  • La présente invention a précisément pour objet un bloc contenant des résines échangeuses d'ions contaminées en vue de leur stockage, qui pallie les inconvénients mentionnés ci-dessus des procédés connus.
  • Selon l'invention, le bloc contenant des résines échangeuses d'ions contaminées en vue de leur stockage se caractérise en ce que les résines échangeuses d'ions sont incorporées dans une matrice composite constituée d'une résine époxyde hydrophile durcie et d'un ciment durci choisi parmi les ciments au laitier de Clinker et les ciments au laitier et aux cendres.
  • Dans le bloc de l'invention, le choix d'une résine époxyde hydrophile et d'un ciment à faible chaleur d'hydratation constitué par un ciment au laitier de Clinker (CLK) et/ou un ciment au laitier et aux cendres volantes (CLC) permet de disposer d'une matrice compatible avec les résines échangeuses d'ions, même lorsque celles-ci sont saturées d'eau et contiennent par exemple de 50 à 55% en poids d'eau, et/ou comportent des sites actifs nécessitant habituellement un prétraitement.
  • Par ailleurs, le choix de cette matrice permet d'obtenir un coefficient d'enrobage élevé et un bloc ayant des propriétés physiques et mécaniques très intéressantes, en particulier une meilleure résistance à la compression.
  • Sur la figure 1 annexée, on a représenté le diagramme triangulaire de Rankin illustrant les compositions de divers ciments dans le système ternaire silice-alumine-oxyde de calcium.
  • Sur ce diagramme, on voit que les ciments CLC et CLK ont des compositions très différentes de celles des ciments Portland et des ciments alumineux.
  • Par ailleurs, les ciments CLK et CLC ont des chaleurs d'hydratation plus faibles que celles des ciments Portland et alumineux et une cinétique d'hydratation plus lente.
  • Dans le tableau 1 ci-dessous, on a reporté les chaleurs d'hydratation (en J/g) à 12 h et à 1 jour des ciments CLK, CLC et Portland, en donnant la valeur moyenne, le minima et le maxima. Tableau 1
    Ciment Chaleur d'hydratation à 12 h (J/g) Chaleur d'hydratation 1 jour (J/g)
    valeur moyenne minima maxima valeur moyenne minima maxima
    CLK 45 62 49 76 170 142 197
    CLC 45 113 92 149 226 211 237
    Portland HP CP2 199 170 229 307 299 313
  • Au vu de ce tableau, on constate que le ciment Portland a une chaleur d'hydratation beaucoup plus élevée que les ciments CLK et CLC.
  • De ce fait, on peut enrober dans les ciments CLK et CLC des masses plus importantes de déchets car l'augmentation de température reste limitée (<100°C) lors de l'enrobage.
  • En revanche, lorsqu'on enrobe des résines échangeuses d'ions dans un fût de 200 l ou plus de ciment Portland, la température peut atteindre 120°C à coeur, ce qui provoque la distillation de l'eau incluse dans les résines échangeuses d'ions et une dégradation des propriétés du fût.
  • Les ciments CLC et CLK présentent de plus les avantages suivants :
    • libération du 137Cs ralentie,
    • faible perméabilité obtenue grâce au grain fin de matériau, et
    • bonne stabilité en présence sels tels que les nitrates et les sulfates.
  • Selon l'invention, les proportions en poids de ciment et de résine époxyde durcis entrant dans la constitution de la matrice sont choisies de façon à obtenir les caractéristiques voulues de rétention des radioéléments, de résistance à la lixiviation et de résistance mécanique en vue du stockage du bloc avec un degré élevé de sûreté.
  • Généralement, la matrice composite comprend :
    • de 35 à 65% en poids de résine époxyde durcie, et
    • de 35 à 65% en poids de ciment durci au laitier de Clinker et/ou de ciment durci au laitier et aux cendres volantes.
  • Avec cette matrice, on peut inclure des quantités relativement importantes de résines échangeuses d'ions dans le bloc ; celui-ci peut ainsi contenir jusqu'à 45% en poids de résines échangeuses d'ions contaminées, saturées en eau, alors que dans le cas de ciment CLK seul, on ne pourrait enrober que 15 à 20% en poids de résines échangeuses d'ions.
  • Ces résines échangeuses d'ions peuvent être constituées par des résines échangeuses cationiques, des résines anioniques ou des mélanges de ces résines, sous la forme de grains ou de particules obtenues par broyage.
  • Généralement, ce sont des résines échangeuses d'ions organiques telles que les résines de polystyrène réticulé avec du divinyl benzène qui comportent par exemple des groupements sulfoniques ou des groupements hydroxyles.
  • Dans le bloc de l'invention, on utilise une résine époxyde hydrophile, compatible à la fois avec le ciment utilise et avec la résine échangeuse d'ions à conditionner.
  • A titre d'exemple de telles résines époxydes hydrophiles, on peut citer le diglycidyl éther du bis-phénol-A et le diglycidyl éther du bis-phénol-F durcis par réaction avec un durcisseur aminé.
  • On précise que le diglycidyl éther de bis phénol A répond à la formule :
    Figure imgb0001
    Le diglycidyl éther de bis-phénol F répond à la formule :
    Figure imgb0002
  • Dans l'invention, l'utilisation d'une résine époxyde hydrophile est avantageuse car elle facilite l'obtention d'un mélange homogène avec le ciment, en présence d'eau.
  • L'invention a également pour objet un procédé de préparation du bloc contenant les résines échangeuses d'ions contaminées, décrit ci-dessus.
  • Ce procédé comprend les étapes successives suivantes :
    • 1) saturation en eau des résines échangeuses d'ions contaminées,
    • 2) addition sous agitation de l'eau nécessaire à l'hydratation du ciment aux résines échangeuses d'ions saturées en eau,
    • 3) addition du ciment, sous agitation à la suspension obtenue en 2), et
    • 4) addition au mélange obtenu en 3) de la résine époxyde et de son durcisseur.
  • Dans la première étape de ce procédé, on sature en eau les résines échangeuses d'ions contaminées, ce qui est effectué en immergeant ces résines dans de l'eau pendant une durée suffisante, par exemple pendant 24h. Après cette opération, on essore les résines échangeuses d'ions jusqu'à disparition de l'écoulement d'eau de façon à s'assurer que les résines échangeuses d'ions contiennent uniquement leur eau de saturation qui représente généralement environ 50 à 55% en poids des résines échangeuses d'ions saturées, mais peut aller dans certains cas jusqu'à 65% en poids.
  • Dans la deuxième étape du procédé, on ajoute ensuite aux résines l'eau nécessaire à l'hydratation du ciment en réalisant cette opération sous agitation. La quantité d'eau d'hydratation nécessaire pour le durcissement des ciments au laitier de Clinker ou des ciments au laitier et aux cendres volantes dépend de la quantité de ciment qui sera introduite dans le bloc. Elle est généralement telle que le rapport pondéral eau d'hydratation/ciment soit de 0,25 à 0,35.
  • Après introduction de l'eau, on ajoute le ciment sous agitation et l'on poursuit cette agitation jusqu'à l'obtention d'une pâte fluide, puis on ajoute la résine époxyde à l'état liquide et son durcisseur amine en poursuivant l'agitation.
  • Généralement, on réalise les opérations d'addition de l'eau, du ciment et de la résine époxyde dans un malaxeur.
  • Après addition de la résine époxyde et de son durcisseur, on peut émulsionner le mélange par rotation à grande vitesse, le laisser reposer et le verser dans un moule ayant les dimensions du bloc à fabriquer.
  • Après cette opération, on laisse le bloc durcir dans le moule, ce qui peut être obtenu relativement rapidement, par exemple en 12 heures.
  • Dans ce procédé, le choix du durcisseur amine est également important, car en choisissant un durcisseur amine approprie, on permet à la résine époxyde de durcir en présence de quantités importantes d'eau.
  • On peut utiliser par exemple dans ce but des durcisseurs aminés contenant une combinaison d'amines aromatiques et aliphatiques, et en jouant sur les quantités de ces différentes amines, on peut obtenir un durcisseur optimisé, convenant à la préparation d'une matrice composite époxyde-ciment adaptée à l'enrobage des résines échangeuses d'ions saturées d'eau à conditionner.
  • Généralement la proportion de durcisseur aminé est telle que le rapport pondéral durcisseur / résine époxyde soit de préférence de 0,5 à 0,6.
  • Les blocs obtenus par le procédé de l'invention ont des propriétés très intéressantes car ils sont extrêmement durs et peu réactifs aux agressions. Par ailleurs, ils présentent par rapport aux résines échangeuses d'ions enrobées dans d'autres matrices les avantages suivants :
    • diminution des risques d'incendie dans les stockages en raison du pouvoir calorifique plus faible de la matrice d'enrobage,
    • coefficient de gonflement par l'eau faible, et
    • prix de revient inférieur de la matrice d'enrobage par rapport à celui des résines époxydes seules.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture des exemples suivants donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif en référence au dessin annexé sur lequel
    • la figure 1, déjà décrite, est un diagramme ternaire représentant diverses compositions de ciment.
    • la figure 2 est un diagramme donnant en fonction du temps la température au coeur d'un bloc conforme à l'invention, contenant des résines échangeuses d'ions contaminées, lors de son durcissement, pour deux essais identiques.
    • La figure 3 est un diagramme donnant en fonction du temps la température d'un bloc de l'art antérieur, pour deux essais identiques.
    • La figure 4 est un diagramme regroupant les valeurs moyennes obtenues sur les figures 2 et 3.
    Exemple 1.
  • Dans cet exemple, on incorpore 490g de résines échangeuses d'ions contaminées, constituées par des résines anioniques de la marque Rohm et Haas IR-400, dans une matrice formée à partir des constituants suivants :
    • eau (78g),
    • ciment au laitier de Clinker CLK 45 (222g),
    • résine époxyde liquide commercialisée par la société Spado Lassailly sous la référence SL MN201T (200g), et
    • durcisseur aminé commercialisé par la société Spado Lassailly sous la référence SL D6M5.
  • Tout d'abord, on sature d'eau les résines échangeuses d'eau contaminées en les faisant gonfler dans l'eau pendant 24h puis on les soumet à un essorage. On pèse ensuite 400g de résines anioniques essorées et on leur ajoute les 78g d'eau,c'est-à-dire la quantité suffisante pour hydrater les 222g de ciment CLK 45.
  • On mélange les résines avec l'eau, puis on ajoute à la suspension le ciment CLK 45 et on malaxe le mélange de façon à obtenir une pâte très fluide.
  • On ajoute alors, tout en continuant le malaxage, la résine époxyde SL MN 201 T et le durcisseur SL D6 M5. On coule ensuite le mélange dans un moule et on le laisse durcir pendant 36 heures.
  • On démoule alors le bloc obtenu. Celui-ci présente un très bel aspect de surface. On mesure sa dureté Shore D en utilisant un duromètre Shore pour polymères thermodurcissables qui détermine la dureté par enfoncement d'une aiguille montée sur un peson calibre. Celle-ci est très élevée puisqu'elle correspond à une valeur de 70 unités Shore.
  • On soumet également le bloc obtenu à un essai d'absorption d'eau en l'immergeant pendant un mois dans de l'eau. Après cette période, on constate que le coefficient massique d'absorption d'eau est de l'ordre de 1 à 3%.
  • Le bloc obtenu présente donc des caractéristiques très satisfaisantes pour le stockage de résines échangeuses d'anions.
  • Exemple 2.
  • On utilise les mêmes résines échangeuses d'anions contaminées et les mêmes constituants de matrice que dans l'exemple 1, sauf le durcisseur qui dans cet exemple est le produit commercialisé par Spado Lassailly sous la référence SL D 2005.
  • On suit le même mode opératoire que dans l'exemple 1 en utilisant les mêmes proportions pour réaliser l'enrobage de 400g de résines échangeuses d'anions dans la matrice composite.
  • On obtient ainsi un bloc solide présentant des propriétés pratiquement identiques à celles du bloc obtenu dans l'exemple 1, sauf que son aspect extérieur est plus brillant.
  • Exemple 3.
  • On suit le même mode opératoire et on utilise la même matrice que dans l'exemple 1 pour enrober 400g de résines échangeuses d'ions cationiques du type Rohm et Haas IR 120.
  • On utilise également les mêmes proportions d'eau, de ciment, de résine et de durcisseur.
  • Le bloc obtenu présente également de très bonnes propriétés.
  • En effet, sa dureté Shore est de 66 unités et son coefficient d'absorption d'eau à un mois est de 3%.
  • Exemple 4.
  • Dans cet exemple, on enrobe dans la même matrice composite que celle de l'exemple 1, 400g d' un mélange de résines échangeuses d'ions comportant 266g de résines cationiques Rohm et Haas IR 120 et 134g de résines échangeuses d'ions anioniques Rohm et Haas IR A 400.
  • On suit le même mode opératoire et on utilise les mêmes proportions que dans l'exemple 1,
  • On obtient ainsi un bloc solide présentant les caractéristiques suivantes :
    • dureté Shore : 67 unités,
    • taux d'absorption d'eau à un mois : 1 à 3%.
    Exmple comparatif 1.
  • Dans cet exemple, on réalise l'enrobage de résines échangeuses d'ions contaminées en utilisant uniquement comme constituant d'enrobage une résine époxyde et son durcisseur.
  • Dans ce cas, on mélange 200g de résines échangeuses d'ions saturées d'eau et essorées avec de la résine époxyde liquide SL MN 201T et du durcisseur SL D6 M5 pour préparer un bloc de résines échangeuses d'ions conditionnées uniquement dans une résine époxyde ayant un volume de 0,5l. Après 8 à 10 heures, le bloc est durci et présente les caractéristiques suivantes :
    • dureté Shore D : 60,
    • taux d'absorption d'eau à un mois : 1%.
  • Dans le tableau 2 qui suit, on a regroupé les caractéristiques du bloc obtenu dans cet exemple ainsi que les caractéristiques de blocs de 0,5l obtenus de la même façon que dans les exemples 1 à 3. TABLEAU 2
    Caractéristiques Exemple comparatif (époxyde seule) Invention (époxyde-ciment)
    Dureté Shore D 60 70-75
    Température maximum à coeur 78°C - 75°C 58-63°C
    Temps de polymérisation 8-10h 12-15h
    Gonflement à l'eau 28j 1% 1 à 3%
  • Au vu de ce tableau, on remarque que les caractéristiques des blocs de l'invention sont plus intéressantes, en ce qui concerne la dureté et la température maximum à coeur du bloc.
  • Ainsi, le fait d'utiliser dans l'invention une matrice composite époxyde - ciment permet de limiter, lors de la polymérisation, la température à coeur du bloc à une valeur inférieure à celle que l'on obtient avec une résine époxyde seule.
  • Dans le cas de l'invention, la température à coeur est limitée à 58-63°C, alors que dans le cas d'une résine époxyde seule, elle peut atteindre 78°C pour un bloc de 0,5l. Aussi, pour des blocs de volume plus important, la température à coeur peut devenir supérieure à 100°C avec une résine époxyde seule . Or, à cette température, l'eau contenue dans les résines échangeuses d'ions saturées en eau est portée à l'ébullition et la vapeur d'eau engendrée dans le bloc est à l'origine de dommages plus ou moins importants.
  • L'utilisation conformément à l'invention d'une matrice composite à base de résine époxyde et de ciment procure ainsi une diminution importante de l'exothermie de la réaction de durcissement du bloc qui comprend à la fois la polymérisation de la résine et le durcissement du liant hydraulique.
  • Pour la partie liant hydraulique de la matrice, l'enthalpie correspondant à la prise du liant est très sensiblement inférieure à l'enthalpie de polymérisation de la partie époxyde.
  • A titre d'exemple, on donne ci-après, les valeurs de la chaleur de polymérisation d'un système époxyde et de la chaleur d'hydratation d'un ciment CLK :
    • ΔH polymérisation (résine époxyde) = 25kcal/mol,
    • ΔH hydratation (CLK) = 4 à 5kcal/mol.
  • Sur la figure 2 annexée, on a représenté la température à coeur (en °C) de 2 blocs conformes à l'invention pesant 640g, en fonction du temps (en h) lors de leur durcissement.
  • Sur cette figure, les courbes 1 et 2 se réfèrent à un bloc préparé en double exemplaire à partir des constituants,suivants :
    • 256g de résines échangeuses d'ions en lit mélangé (anioniques 1/3 - cationiques 2/3),
    • 46g d'eau,
    • 146g de ciment CLK 45,
    • 128g de résine époxyde SL MN201 T,
    • 64g de durcisseur SL D6M5,
    • rapport résine/durcisseur : 2.
  • Des deux courbes, obtenues sur des échantillons de masse et de nature identiques, on tire les valeurs moyennes
    • du pic de température de polymérisation T°C=60°C ± 2°C
    • du temps correspondant à l'obtention de ce pic t = 12 à 15h.
  • A titre de comparaison avec le procédé époxyde antérieur, le même type de mesure a été établi sur des résines échangeuses d'ions en lit mélange dans une matrice époxyde seule. La masse des échantillons est identique aux précédents. Les valeurs obtenues sur deux essais sont représentées par les courbes de la figure 3. De ces deux courbes, on tire les valeurs moyennes:
    • pic de température de polymérisation 76°C ± 2°C
    • temps correspondant : 8 à 10h.
  • Sur la figure 4, la courbe A correspond aux valeurs moyennes des deux courbes de la figure 2, et la courbe B correspond aux valeurs moyennes des deux courbes de la figure 3.
  • Ces résultats font apparaître une diminution de la température maxima de polymérisation de 16°C entre le procédé époxyde ciment et le procédé époxyde seule. De même est observée une augmentation du temps, au pic exothermique, de polymérisation d'environ 5 heures.
  • De ces deux propriétés, l'abaissement du pic de l'exotherme de polymérisation est particulièrement recherché, car il augmente la sûreté intrinsèque du procédé, notamment en cas d'accélération de la vitesse de polymérisation observée par temps chaud : dans ce cas, en effet, la cinétique de polymérisation est augmentée, et la température obtenue à coeur de l'enrobé doit impérativement se situer au-dessous de la température de vaporisation de l'eau des REI.
  • L'utilisation du procédé époxyde - ciment permet de résoudre ce problème.
  • Par ailleurs, l'allongement du temps de durcissement est un phénomène intéressant au stade industriel car il autorise des possibilités d'intervention accrues sur le procédé.
  • Un autre avantage important du procédé de l'invention est qu'il autorise l'enrobage de résines échangeuses d'ions anioniques, cationiques ou en lit mélangé sans nécessiter de prétraitement. En effet, l'utilisation d'un liant hydraulique qui libère dans le milieu aqueux des ions dissociés, évite de procéder à la saturation préalable des éventuels sites actifs des résines échangeuses de cations puisque les ions libérés par le ciment sont capables de réaliser cette saturation.

Claims (10)

  1. Bloc contenant des résines échangeuses d'ions contaminées en vue de leur stockage, caractérisé en ce que les résines échangeuses d'ions sont incorporées dans une matrice composite constituée d'une résine époxyde hydrophile durcie et d'un ciment durci choisi parmi les ciments au laitier de Clinker, et les ciments au laitier et aux cendres.
  2. Bloc selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice composite comprend :
    - de 35 à 65% en poids de résine époxyde durcie, et
    - de 35 à 65% en poids de ciment durci au laitier de clinker et/ou de ciment durci au laitier et aux cendres volantes.
  3. Bloc selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il contient jusqu'à 45% en poids de résines échangeuses d'ions contaminées.
  4. Bloc selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les résines échangeuses d'ions sont choisies parmi les résines cationiques, les résines anioniques et les mélanges de résines cationiques et anioniques.
  5. Bloc selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la résine époxyde est un diglycidyl éther du bis-phénol-A et/ou un diglycidyl éther du bis-phénol F durci(s) par réaction avec un durcisseur aminé.
  6. Procédé de préparation d'un bloc contenant des résines échangeuses d'ions contaminées en vue de leur stockage, consistant à incorporer les résines dans une matrice composite constituée d'une résine époxyde et d'un ciment durcis, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes :
    1) saturation en eau des résines échangeuses d'ions contaminées,
    2) addition sous agitation, aux résines d'échangeuses d'ions saturées en eau, d'une quantité supplémentaire d'eau,
    3) addition d'un ciment choisi parmi les ciments au laitier de Clinker et les ciments au laitier et aux cendres, sous agitation, à la suspension obtenue en 2),
    4) addition au mélange obtenu en 3) de la résine époxyde et de son durcisseur,
    la quantité d'eau ajoutée en 2) étant la quantité nécessaire à l'hydratation du ciment ajouté en 3).
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les quantités de résine époxyde et de ciment ajoutées sont telles que la matrice composite durcie comprenne :
    - de 35 à 65 % en poids de résine époxyde,et
    - de 35 à 65 % en poids de ciment au laitier de clinker et/ou de ciment au laitier et aux cendres volantes.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la quantité de résines échangeuses d'ions est telle que le bloc contient jusqu'à 45% en poids de résines échangeuses d'ions contaminées.
  9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la résine époxyde est un diglycidyl éther du bis-phénol-A et/ou un diglycidyl éther du bis-phénol F et le durcisseur est un durcisseur aminé.
  10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que ces résines échangeuses d'ions sont choisies parmi les résines cationiques, les résines anioniques et les mélanges de résines cationiques et anioniques.
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